Урок по теме «Закон Джоуля–Ленца. Решение задач». 8-й класс

Разделы: Физика


Тема «Закон Джоуля – Ленца» изучается в школьном курсе физики дважды – в 8 и в 10 классах общеобразовательной школы.  Не смотря на это, физическое содержание этого закона усваивается учащимися  достаточно формально. В дальнейшем, значительная часть абитуриентов не умеет применять теоретические знания в конкретной ситуации при решении задач.

Настоящая статья – попытка автора построить классический урок решения задач, взглянув на него с практической точки зрения. Значительное место на уроке отводится качественным задачам, которые позволяют значительно глубже усвоить физическое понимание закона, поскольку, не требуя громоздких математических выкладок, концентрируют внимание учащихся на физической сущности явлений, на их взаимосвязи и формах проявления.  Урок рассчитан на преподавание физики в 8 классе по программе с углубленным изучением предмета, рассчитанной на 3 часа в неделю. 

Поскольку контрольные измерительные материалы ГИА по физике содержат экспериментальное задание, которое выполняется выпускниками с использованием реального лабораторного оборудования, закрепление полученных знаний, их обобщение и систематизацию рекомендуется проводить с использованием  средств лаборатории «L-микро» и привлечением компьютера.

Задачи урока:

  • повторение закона Джоуля – Ленца, углубление понимания его физической сущности, изучение практического применения этого закона;
  • формирование интеллектуальных умений, овладение операциями анализа, сравнения, обобщения;
  • развитие самостоятельности и творческого анализа в умственной деятельности; создание  познавательной мотивации при постановке экспериментальных задач.

I.  Проверка домашнего задания, повторение пройденного

Урок начинается с проверки домашнего задания по теме: «Соединения проводников».

На дом учащимся было предложено домашнее задание <Презентация, слайд 2>:

Найти распределение токов и напряжений в цепи, если известно, что на резисторе R4 выделяется мощность 20 Вт, а на резисторе R3 в 5 раз меньше, R1 = 40 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 4 Ом, R5 = 12 Ом, R6 = 8 Ом,  R7 = 4 Ом.

                                   

Рис.1

Ответ:   I1 = 6 A, I2 = 3A, I3 = I4 = 1 A, I5 = 1 A,  I6 = I7 = 3 A, U1 = 240 B, U2 = 60 B, U3 = 4B, U4 = 20 B, U5 = 24 B, U6 = 18B, U7 = 12B, UАВ= 300 B.

Актуализация  момента осуществляется по следующим вопросам <слайды 3-5>:

  1. Какие действия тока вам известны? Какое из этих действий наблюдается в любом случае?
  2. Как бы вы могли объяснить процесс нагревания проводника с током с точки зрения электронной теории?
  3. Сформулируйте закон Джоуля – Ленца.

Учитель кратко подводит итог пройденного накануне.
О наличии электрического тока в цепи мы можем судить по действиям тока:

  • тепловому,
  • химическому,
  • магнитному.

Магнитное действие тока в отличие от теплового и химического действия является основным, так как оно сопровождает ток всегда, без каких-либо исключений. Химическое действие имеет место лишь при прохождении тока через растворы и расплавы электролитов, а нагревание током отсутствует при прохождении тока через сверхпроводники.     
Итак, если единственным результатом прохождения электрического тока по         проводнику является только нагревание проводника, то работа электрического тока равна   количеству теплоты, выделяемому проводником, т.е. справедливы соотношения <слайд 6>:

Q = I2 R t    (1)                                            Q = U2/R t    (2)

Если же на участке цепи часть электрической энергии превращается механическую или химическую, то количество теплоты нужно находить только по формуле  (1). [2]

Таким образом, допуская справедливость обеих формул, мы приходим к противоречию: количество тепла, выделяющееся в проводнике при прохождении по нему электрического тока, одновременно и прямо пропорционально, и обратно пропорционально сопротивлению участка цепи R! Учащимся предлагается объяснить противоречие. [6]

Ответ: Обе формулы тождественны, т.к. U = I R. При последовательном соединении двух проводников количество теплоты, выделяемое в них пропорционально их сопротивлениям, т.к. при одной силе тока количество теплоты будет зависеть от напряжения, а U прямо пропорционально R. При параллельном соединении двух проводников количество теплоты обратно пропорционально их сопротивлениям, т.к. при одинаковом напряжении сила тока больше у проводника с меньшим сопротивлением.

II. Формирование знаний, умений, навыков

Учитель обращает внимание на практическую сторону этого закона. Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности используют для выплавки металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве  с помощью электрического тока обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно.
Рассмотрим устройство лампы накаливания <слайд 7>. Основной частью современной лампы накаливания является спираль из тонкой вольфрамовой проволоки 2. Спираль помещают в стеклянную колбу 1, из которой выкачивают воздух, чтобы спираль не перегорела. Чтобы предотвратить испарение вольфрама, лампы наполняют азотом, иногда инертными газами – криптоном и аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу частиц вольфрама из нити. Концы спирали приварены к двум проволокам 5, которые проходят через стеклянный баллон и припаяны к металлическим частям цоколя 7 лампы: одна к винтовой нарезке, а другая к изолированному от нарезки основанию цоколя 9.
Для углубления учебной проблемы переходят к решению задач.

Задача 1 <слайд 8>

Две электрические лампы, мощности которых 60 Вт и 100 Вт, рассчитаны на одно и то же напряжение. Сравните длины нитей накала обеих ламп, если их диаметры одинаковы.

Ответ: Мощность равна U2/R. Поэтому у лампы 100 Вт сопротивление нити накала меньше. Следовательно, ее нить короче, чем у лампы 60 Вт.  [4]

Задача 2 <слайд 9>

Из-за испарения и распыления материала с поверхности нити накала лампы нить становится тоньше. Как это отражается на потребляемой мощности? [6]
Ответ: Уменьшается.

Основной частью нагревательных электроприборов является нагревательный элемент, который представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (1000-1200°C) Для изготовления нагревательного элемента чаще применяется нихром с удельным сопротивлением почти в 70 раз большим, чем удельное сопротивление меди. <слайд10>

Задача 3 <слайд11>

Почему спирали электронагревательных приборов делают из материала с большим удельным сопротивлением?  Спираль нагревательного прибора – рефлектора при помощи шнура и вилки соединяется с розеткой. Шнур состоит из проводов, подводящих ток к спирали, покрытых изоляцией. Спираль и провода соединены последовательно. Как распределяется подаваемое от сети напряжение между проводами и спиралью? Почему спираль раскаляется, а провода практически не нагреваются? Какими особенностями устройства спирали и проводов достигается эта разница? [6]

Задача 4 <слайд 12>

В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном  (см. рис. 2а) и  параллельном (см. рис. 2б) соединении? Во сколько раз больше, если сопротивления резисторов R1 = 10 Ом и  R2 = 100 Ом? [4]

                  

Рис. 2.

Ответ: а) Во втором в 10 раз;  б) В первом в 10 раз. При последовательном соединении сила тока в обоих резисторах одинакова. Из формулы  P = I2R следует, что при последовательном соединении мощность тока в резисторе прямо пропорциональна его сопротивлению. При параллельном соединении сила тока в резисторах неодинакова, поэтому использовать формулу P = I2R нецелесообразно. В этом случае на всех резисторах одно и то же напряжение, поэтому целесообразно воспользоваться формулой P = U2/R. Из нее следует, что при параллельном соединении мощность тока в резисторе обратно пропорциональна его сопротивлению.

 Задача 5 <слайд 13>

На двух лампочках написано «220 В, 60 Вт» и «220 В, 40 Вт». В какой из них будет меньше мощность тока, если обе лампы включить в сеть последовательно? Какова мощность тока в каждой из лампочек при последовательном включении, если напряжение в сети равно 220 В?  [4]

Ответ: В соответствии с формулой P = U2/R меньшее сопротивление имеет лампочка, рассчитанная на большую мощность, т.е. на 60 Вт. Пользоваться формулой P = U2/R для сравнения мощностей при последовательном включении лампочек нецелесообразно: ведь напряжения на лампочках в этом случае  различны. При последовательном соединении одинакова сила тока в обеих лампочках, поэтому лучше воспользоваться формулой P = I2R, из которой следует: меньшая мощность тока при последовательном включении будет в той лампе, у которой сопротивление меньше (т.е. рассчитанной на мощность 60 Вт).

Решение следующей задачи лучше продемонстрировать экспериментально для большей наглядности.

Задача 6 <слайд 14>

Последовательно с электрическим звонком включена лампа мощностью 60 Вт. Звонок работает тихо. В вашем распоряжении две лампы мощностью 25 и 100 Вт. Какой из них нужно заменить 60-ваттную лампу, чтобы усилить звук? [5]
Обычно сразу, не задумываясь, учащиеся предлагают неправильный ответ – лампой на 25 Вт. Эксперимент позволяет выбрать единственно правильное решение.

Ответ: Для усиления звука нужно увеличить силу тока в катушке звонка, а для этого уменьшить сопротивление цепи. Сделать это можно, заменив 60-ваттную лампу на ту, которая имеет меньшее сопротивление. Из формулы мощности P = U2/R следует, что 100-ваттная лампа имеет меньшее сопротивление (ведь числитель одинаковый). Ее и нужно установить.

 Задача 7 <слайд 15>

Электрический чайник имеет две обмотки. При включении одной из них вода закипает через  t1 = 12 мин, при включении другой – через  t2 = 24 мин. Через какое время закипит вода в чайнике, если включить обе обмотки параллельно? Последовательно? Теплообмен с воздухом не учитывайте. [4]

Ответ: При решении задачи мы предполагали, что необходимое количество теплоты во всех случаях одинаково. На самом деле теплопередача от чайника к окружающему воздуху достаточно велика. Потери теплоты тем больше, чем медленнее происходит нагревание. Поэтому они максимальны при последовательном включении и минимальны при параллельном.  tпосл > 36 мин,   tпарал < 8 мин.

III. Закрепление пройденного материала – творческое, вариативное применение полученных знаний.

В этой части урока, ученикам необходимо напомнить, что электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например, мощных электроплиток, стиральных машин, или короткое замыкание.

Коротким замыканием <слайд 16> называется соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Сопротивление цепи при коротком замыкании не значительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара.    Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители <слайд17>. Назначение предохранителя – сразу отключить линию в случае, если сила тока окажется больше допустимой. Главная часть предохранителя – проволочка из легкоплавкого металла (например, свинца). Свинцовая проволочка в предохранителе является частью общей цепи. Толщина свинцовой проволочки рассчитана так, что она выдерживает определенную силу тока.  Такие предохранители с плавящимся проводником, называются плавкими предохранителями.

Демонстрация действия плавкого предохранителя проводится на оборудовании лаборатории «L-микро».

Цель опыта: продемонстрировать действие плавкого предохранителя.

Оборудование:

  • резистор 2 Ом;
  • лампа 12 В, 21 Вт;
  • ключ;
  • медная проволока;
  • модуль с зажимами;
  • модуль для подключения источника тока;
  • источник постоянного тока.

Соберите на стенде электрическую цепь, схема которой показана на рис.3.

Рис. 3.

Роль плавкого предохранителя в эксперименте выполняет медная проволока диаметром 0,16 мм и длиной 12 см. Проволочка укрепляется в зажимах, смонтированных на одном из модулей. Концы проволочки необходимо тщательно зачистить. Резистор вначале остается неподключенным. На выходе выпрямителя устанавливается напряжение 10 В.
Перед проведением эксперимента напомните ученикам, что все источники питания, в том числе и электрическая сеть, рассчитаны на определенную мощность нагрузки, или, иными словами имеют максимальную силу тока, при которой эксплуатация источника питания или сети безопасна. Плавкие предохранители служат для отключения всех устройств, которые включены в сеть, если сила тока в электрической цепи превысит допустимое значение. Увеличение силы тока может произойти из-за короткого замыкания или включения слишком мощных потребителей электроэнергии.

Продемонстрируйте учащимся срабатывание предохранителя при включении слишком мощной нагрузки. Замкните ключ и покажите, что лампа является нормальной нагрузкой для собранной цепи и горит неограниченно долго. Затем попытайтесь подключить к работающей цепи дополнительный потребитель электроэнергии  – проволочный резистор. Сразу после подключения параллельно лампе резистора проволочка, имитирующая плавкий предохранитель, ярко вспыхивает, и перегорает, в результате чего цепь обесточивается.
После этого продемонстрируйте действие предохранителя при коротком замыкании. Выключите источник питания. Измените схему установки как показано на рис.4.

Рис.4.

Вставьте в зажимы новую проволочку диаметром 0,16 мм. Ключ подключите параллельно лампе и оставьте разомкнутым.
Включите источник питания и продемонстрируйте свечение лампы. Замкните ключ. Проволочка мгновенно перегорит, поскольку сопротивление цепи при замыкании ключа резко уменьшилось, (произошло короткое замыкание), и сила тока превысила допустимое значение.

Задача 8 <слайд 18>

Можно ли на место перегоревшего предохранителя вставить толстую проволоку или пучок медных проволок («жучок»)? Почему? [4]

Ответ: Недопустимо. Медная проволока имеет малое удельное сопротивление и поэтому может выдержать большой ток, превосходящий нормальную нагрузку в сети. В случае короткого замыкания такая проволока может не расплавиться, цепь не разорвется, а накалившаяся проводка может вызвать пожар.

IV. Подведение итогов. Домашнее задание <слайд 19>:

§§ 54, 55, [1], задачи стр.79 №№ 3, 7, [3].

Список литературы

  1. Перышкин А.В. Физика. Учеб. 8 кл. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2009.
  2. Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. 10 – 11кл.: Учеб. Для углубленного изучения физики. – М.:Дрофа, 2012.
  3. Кирик Л.А. Физика-8. Разноуровневые самостоятельные и контрольные работы. –  М.: Илекса, 2013.
  4. Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А., Гельфгат И.М. Решение ключевых задач по физике для основной школы. 7-9 классы. –   М.: Илекса, 2009.
  5. Лабковский В.Б. 220 задач по физике с решениями: кн. Для учащихся 10-11 кл. общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2006.
  6. Аганов А. В., Сафиуллин Р.К., Скворцов А.И., Таюрский Д.А. Физика вокруг нас. Качественные задачи по физике.  – Дом педагогики, 1998.
  7. Савченко Н.Е. Физика. Интенсивный курс подготовки к экзамену. Основные методы решения задач. – М.: Айрис-пресс, 2006.

7.02.2015